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水下声信号光电探测系统的设计与实现

作　者: 谢晨
导　师: 陈名松
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 水下声信号水表面微扰光电探测 DSP 电路设计
分类号: TN29
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文首先介绍了水下声信号光电探测技术的背景、意义和国内外的发展现状。在分析水表面微扰的波动理论、强度调制理论和光线分析理论的基础上,针对水下声场形成的表面微扰现象,通过建立水下声信号光电探测系统的一维物理模型进行数学推算和软件仿真,从理论上证明了利用激光进行水下声信号探测的可行性,并推算出了在该检测方式下水表面微扰的最小可探测幅度值,分析了最小可探测幅度值分别与探测灵敏度、探测高度和接收孔径的关系,得出了指导实验的重要结论。在理论研究的基础上,结合现有的实验条件下,搭建了水下声信号光电探测系统的实验平台。根据实用化的要求,对水下声信号光电探测系统进行了应用开发,独立完成了水下声信号光电探测系统的软硬件设计。该系统的光电信号调理电路采用一款高精度的微弱信号放大器构成前置放大器,达到了高输入阻抗,高共模抑制比、低噪声等要求。以数字信号处理(DSP)芯片TMS320LF2407A为嵌入式处理器,实现光电信号的采集、存储、数据处理以及与PC通信等功能。同时,在PC上设计了十分直观的人机界面,完成显示和控制等任务。在实验平台进行了大量实验后,获得了丰富的数据,并对实验数据进行了深入的分析,成功验证了利用激光进行水下声信号探测的可行性和理论研究的正确性,同时表明本探测系统设计合理、性能良好。本实验结果与理论分析基本一致,达到了预期目的,对水声探测技术的研究与发展具有一定的参考意义和实用价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章序言  9-13
  1.1 研究背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 课题来源与主要研究内容  11
  1.4 论文结构  11-13
第二章水下声信号光电探测原理和理论研究  13-28
  2.1 水表面微扰的波动理论分析  13-17
    2.1.1 基本色散关系及波传播形式的分析  14-15
    2.1.2 不同波长水表面微扰的色散关系和波传播形式的分析  15-17
  2.2 强度调制理论  17-19
  2.3 光线分析理论  19-20
  2.4 建立一维物理模型和理论推算  20-23
  2.5 计算机仿真与数值分析  23-27
    2.5.1 可行性仿真与数值分析  23-24
    2.5.2 探测灵敏度仿真与数值分析  24-27
  2.6 研究结论与指导意义  27
  2.7 本章小结  27-28
第三章光电信号调理电路设计  28-42
  3.1 水下声信号光电探测的实验平台介绍  28-29
  3.2 水下声信号光电探测系统整体设计  29
  3.3 水下声信号光电探测信号特点  29-30
    3.3.1 探测频率的特点  29-30
    3.3.2 探测光信号的特点  30
  3.4 光电信号调理电路的整体设计  30
  3.5 光电探测器的选择  30-31
  3.6 前置放大电路设计  31-35
    3.6.1 前置放大电路放大器件的选择  31-33
    3.6.2 前置放大电路设计及分析  33-35
  3.7 高通滤波及后级放大电路设计  35-36
    3.7.1 高通滤波电路设计  35-36
    3.7.2 后级放大电路设计  36
  3.8 低通滤波电路设计  36-37
    3.8.1 电路设计  36-37
    3.8.2 参数的设计和元器件选择  37
  3.9 50Hz双T有源陷波器设计  37-39
    3.9.1 电路设计  37
    3.9.2 电路工作原理  37-39
    3.9.3 参数的设计与元器件选择  39
  3.10 电源及接口电路设计  39-40
  3.11 PCB的设计及抗干扰措施  40-41
    3.11.1 布局设计  40
    3.11.2 布线设计  40
    3.11.3 电源和地平面  40-41
  3.12 本章小结  41-42
第四章基于DSP的水下声信号光电探测系统硬件设计  42-51
  4.1 基于DSP的水下声信号光电探测系统整体设计  42
  4.2 TMS320LF2407A芯片简介  42-44
  4.3 DSP最小系统设计  44-46
    4.3.1 时钟电路设计  44-45
    4.3.2 最小系统复位电路设计  45-46
  4.4 电源电路设计  46-47
  4.5 扩展存储器的电路设计  47-48
  4.6 JTAG接口电路设计  48-49
  4.7 串行通信电路设计  49
  4.8 键盘电路设计  49-50
  4.9 本章小结  50-51
第五章水下声信号光电探测系统软件设计  51-71
  5.1 系统软件整体设计  51
  5.2 DSP软件整体设计  51-52
  5.3 DSP软件介绍和配置  52-54
    5.3.1 CCS概述  52-53
    5.3.2 DSP软件的结构  53
    5.3.3 DSP存储单元的配置及CMD的配置  53-54
  5.4 系统初始化  54-55
  5.5 模数数据采集  55
  5.6 数字滤波器的设计  55-59
    5.6.1 数字滤波器原理  55-56
    5.6.2 MATLAB设计带通滤波器  56-58
    5.6.3 带通滤波器的DSP实现  58-59
  5.7 频域数据处理  59-63
    5.7.1 FFT的概念  60
    5.7.2 FFT编程流程  60-62
    5.7.3 FFT的DSP实现  62
    5.7.4 FFT的数据缓冲区设置  62-63
  5.8 串行通信接口设计  63-66
    5.8.1 串行通信接口控制寄存器设置  63-64
    5.8.2 串行通信协议  64-65
    5.8.3 DSP串行通信软件设计  65-66
  5.9 PC软件设计  66-70
    5.9.1 PC人机界面的设计  66-67
    5.9.2 PC串口通信功能的实现  67-69
    5.9.3 数据波形显示  69-70
  5.10 本章小结  70-71
第六章系统调试与结果分析  71-90
  6.1 系统硬件调试  71-78
    6.1.1 光电信号调理电路硬件调试  71-73
    6.1.2 DSP最小系统调试  73-74
    6.1.3 扩展存储器调试  74-76
    6.1.4 模数转换模块调试  76
    6.1.5 串口通信调试  76-78
  6.2 系统软件调试  78-80
    6.2.1 键盘中断调试  78-79
    6.2.2 数据处理软件调试  79-80
    6.2.3 PC软件调试  80
  6.3 系统联调  80-81
  6.4 调试中出现的问题及解决方案  81-82
  6.5 实验数据与结果分析  82-88
    6.5.1 实验数据  82-85
    6.5.2 系统性能分析  85-87
    6.5.3 结果分析  87-88
  6.6 本章小结  88-90
第七章结论与展望  90-92
  7.1 结论  90
  7.2 对今后工作的展望  90-92
参考文献  92-95
致谢  95-96
作者在攻读硕士期间主要研究成果  96-97
附录  97

水下声信号光电探测系统的设计与实现

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